KR100993923B1 - 3차원 물체의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

분말층을 광빔에 의해 소결시킨 복수개의 경화층을 적층하여, 3차원 물체를 제조한다. 물체의 외피를 형성하는 부분은 고밀도 경화층으로 되고, 나머지 부분은 저밀도 경화층으로 된다. 적어도 물체의 측면을 형성하는 고밀도 경화층은, 분말층에 광빔을 1차 조사하여 형성되는 1차 고밀도 경화층, 및 1차 고밀도 경화층 상에 공급되는 보완 분말층에 2차 조사하여 형성되는 2차 고밀도 경화층에 의해 구성된다. 따라서, 고밀도 경화층의 높이는 저밀도 경화층의 높이에 정렬되고, 고밀도 경화층과 저밀도 경화층의 조합인 각 경화층의 높이를 일정하게 할 수 있다.
분말층, 경화층, 추가 분말층, 추가 경화층, 물체, 외피, 윤곽 영역, 1차 고밀도 경화층, 보완 분말층, 2차 고밀도 경화층, 나머지 부분, 저밀도 경화층.

Description

3차원 물체의 제조 방법{PROCESS OF FABRICATING THREE-DIMENSIONAL OBJECT}
본 발명은 분말층에 광빔을 조사하여 복수개의 경화층을 적층함으로써 원하는 3차원 물체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
JP-A 01-502890은 종래의 3차원 물체의 제조 방법을 개시하고 있다. 이러한 제조 방법에 따르면, 승강 스테이지 상에 구비된 분말층에 광빔을 조사하여 경화층을 형성하는 단계, 이러한 경화층의 상에 추가적 분말층을 형성하는 단계, 및 이러한 분말층에 광빔을 조사함으로써 경화층을 형성하는 단계를 반복하여, 3차원 물체가 제조된다.
제조 시간, 내부 응력에 의한 휨 또는 균열 등의 문제를 고려하여, 물체 전체를 일정한 소결 조건 하에서 일정한 밀도로 마무리하지 않고, 물체의 외피만 고소결 조건 하에서 고밀도 소결부로서 형성되고, 다른 부분은 저소결 조건 하에서 저밀도 소결부로서 형성되는 것이 바람직하다.
고밀도 소결부는 고소결 조건하에서 광빔을 분말층에 조사하여 형성된다. 고밀도 소결부는, 밀도가 50~60%인 분말층이 거의 완전하게 용융 및 고체화되도록 하는 방법으로 거의 100%의 밀도를 가진다. 마무리 후에는, 고밀도 소결부의 면은 매우 정밀하게 되지만, 고밀도 소결부의 표면이 침강하여 분말층의 표면보다 낮아진다. 또한, 고밀도 소결부의 침강 양은 저밀도 소결부의 표면의 침강 양보다 커져, 고밀도 경화층과 저밀도 경화층 사이에는 높이의 차이가 생기고, 복수개의 경화층을 적층됨에 따라 이러한 높이의 차이는 누적된다.
이와 같은 누적된 높이의 차이는, 물체에 경사면을 형성하는 경우에 중대한 문제를 일으킨다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 경사면의 각도는 적층된 경화층(20)의 상단 에지를 연결하는 선 K1에 의해 규정된다. 그러나, 도 12 중의 점선으로 나타낸 바와 같이, 각 경화층(20)의 높이가 낮아지면, 각 경화층의 상단 에지를 연결하는 선 K2가 선 K1보다 완만하게 되어, 설계된 경사 각도를 얻을 수 없어, 물체의 정밀도가 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 감안하여 발명한 것으로서, 그 목적은, 3차원 물체를 고정밀도로 제조하는 방법을 제공하는 것이다
본 발명에 따른 3차원 물체의 제조 방법은,
a) 분말 재료로 이루어진 균일한 두께를 가지는 분말층을 형성하는 단계,
b) 상기 분말층의 선택된 부분에 광빔을 조사하여, 상기 선택된 부분을 소결 또는 용융시켜 경화층을 형성하는 단계,
c) 상기 경화층 상에 추가 분말층을 형성하는 단계,
d) 상기 추가 분말층의 선택된 부분에 상기 광빔을 조사하여, 상기 경화층과 일체화된 추가 경화층을 형성하는 단계, 및
e) 상기 단계 c), d)를 반복하여 상기 경화층을 적층시켜 3차원 물체를 제공하는 단계
를 포함한다.
각각의 경화층을 형성할 때, 상기 물체의 외피를 형성하는 적어도 하나의 상기 분말층의 윤곽 영역에 광빔을 1차 조사하여, 상기 윤곽 영역을 고밀도로 경화시켜 1차 고밀도 경화층을 형성하고, 경화에 의해 두께가 작게 된 상기 1차 고밀도 경화층의 상부에 추가량의 분말을 공급하여, 균일한 두께의 보완 분말층을 형성하며, 상기 보완 분말층에 광빔을 2차 조사하여 상기 보완 분말층의 적어도 일부를 고밀도로 소결 또는 용융시켜, 상기 1차 고밀도 경화층과 일체화된 2차 고밀도 경화층을 형성한다. 상기 윤곽 영역에 의해 포위되고, 상기 1차 고밀도 경화층으로 변환되지 않은 나머지 부분의 상기 분말층에 광빔을 조사하여, 상기 나머지 부분을 저밀도로 소결 또는 용융시켜 저밀도 경화층을 형성한다. 이와 같이, 고밀도 경화층을 2회로 나누어 형성함으로써, 물체의 외피를 규정하는 고밀도 경화층의 높이를, 외피의 내측 부분을 규정하는 저밀도 경화층의 높이와 같게 할 수 있다. 또한, 고밀도 경화층과 저밀도 경화층을 포함하는 각 경화층의 높이를 일정하게 할 수 있어, 정밀한 형상의 물체를 설계된 대로 제조할 수 있다.
바람직하게는, 상기 보완 분말층 중, 상기 보완 분말층 상에 후속적으로 중첩된 경화층과 중복되지 않는 부분에만 광빔을 2차 조사하여, 상기 2차 고밀도 경화층을 형성하고, 상기 후속적으로 중첩된 경화층과 중복되는 부분의 상기 보완 분말층을, 상기 후속적으로 중첩된 경화층을 형성하기 위해, 광빔의 1차 조사에 의해, 상기 보완 분말층에 공급되는 분말층과 함께, 상기 후속적으로 중첩된 경화층에 있어서의 상기 1차 고밀도 경화층에 합체시킨다. 따라서, 광빔의 2차 조사의 범위는 물체의 외부적으로 노출된 부분만으로 제한될 수 있어, 2차 조사에 필요한 시간을 최소로 억제할 수 있어, 정밀한 외형의 물체를 단시간에 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제조 방법에서, 수직으로 이동 가능한 승강 스테이지를 사용하여 경화층을 유지하고, 상기 승강 스테이지를 1 계단씩 하강시켜 분말 재료를 공급함으로써, 경화층 상에 균일한 두께의 분말층을 형성한다. 상기 승강 스테이지를 고정 레벨에 유지한 상태로, 분말 재료를 1차 고밀도 경화층 상에 공급하여, 윤곽 영역에 의해 포위된 미소결 또는 미용융 분말층과 표면이 동일 레벨로 된다.
본 발명의 제조 방법에서, 상기 1차 조사 광빔의 스캔 방향과 상기 2차 조사의 광빔의 스캔 방향이 서로 교차되는 것이 바람직하다. 이러한 스캔 방식에서, 선택된 영역에 균일하게 에너지를 분포시킬 수 있으므로, 얻어지는 경화층의 표면을 평활하게 마무리할 수 있다.
또한 바람직하게는, 1차 조사의 광빔의 조사 에너지 및 2차 조사의 각각의 광빔의 조사 에너지는, 소결 또는 용융되는 분말의 단위 체적당 및 단위 시간당 일정하다. 따라서, 1차 고밀도 경화층과 2차 고밀도 경화층을 동일한 밀도로 할 수 있다.
본 발명의 제조 방법에서, 후속적으로 중첩되는 경화층과 중복되지 않는 경화층, 즉 물체의 외면에 노출되는 경화층을 형성하기 위해, 상기 1차 고밀도 경화층과 상기 2차 고밀도 경화층에 서로 상이한 조사 범위에 걸쳐 광빔이 조사되어, 물체의 외형이 더욱 정밀하게 형성될 수 있다. 즉, 1개의 분말층으로부터 얻어지는 각 경화층에 있어서, 1차 고밀도 경화층의 에지와 2차 고밀도 경화층의 에지는 서로 이격될 수 있어, 이들 2개의 에지에 의해 물체의 외형이 더욱 정밀하게 규정될 수 있다. 이러한 경우, 1차 조사와 2차 조사 각각의 조사 범위는, 분말층의 두께로부터 1차 고밀도 경화층의 두께를 뺀 침강 두께에 따라 결정된다.
도 1은, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 물체의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 상기 제조 방법에 사용하는 제조 장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은, 상기 제조 방법을 나타내는 개략 설명도이다.
도 4는, 상기 물체의 경사면의 일부를 나타내는 확대 단면도이다.
도 5의 (a), (b), (c) (d), (e)는 상기 경사면의 형성 단계를 나타내는 확대 단면도이다.
도 6은, 상기 제조 방법의 변형예에 있어서의 물체의 경사면의 일부를 나타내는 확대 단면도이다.
도 7의 (a), (b), (c), (d), (e)는 상기 변경예에 있어서의 경사면의 형성 단계를 나타내는 확대 단면도이다.
도 8의 (a) 및 (b)는 상기 제조 방법에 있어서의 광빔의 스캔 방식을 나타내는 설명도이다.
도 9의 (a) 및 (b)는 상기 제조 방법에 있어서의 광빔의 스캔 방식을 나타내 는 설명도이다.
도 10은 상기 제조 방법에 있어서의 제조 공정을 나타낸 플로우차트가다.
도 11은 상기 제조 방법의 다른 변경예를 나타내는 확대 단면도이다.
도 12는 종래의 3차원 물체의 제조 방법에서의 문제점의 설명도이다.
첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 물체의 제조 방법을 설명한다. 본 발명의 제조 방법은, 분말 재료의 분말층(10)에 레이저 빔과 같은 광빔을 조사하여 경화층(20)을 형성하는 단계, 얻어진 경화층(20)에 추가 분말층(10)을 형성하는 단계, 및 추가 분말층(10)을 마찬가지 방식으로 경화층으로 변환시키는 단계를 반복, 복수의 경화층(20)이 서로 결합되어 중첩되는 3차원 물체(X)를 제조한다. 분말 재료는 무기 또는 유기 재료로부터 선택된다. 본 실시예에서는, 평균 직경이 20㎛인 분무화 철 분말이 분말 재료로서 사용된다.
각 경화층(20)은, 제조하려고 하는 물체의 3차원 CAD 데이터에 의해 결정되는 평면 형상을 가지며, 각 경화층(20)은, 물체의 외피를 규정하는 고밀도 경화층(30), 및 외피의 내측 부분을 규정하는 저밀도 경화층(40)으로 구성된다. 고밀도 경화층(30)에서는 예를 들면, 기공율이 5% 이하이며, 저밀도 경화층(40)에서는 기공율이 5%보다 크도록, 레이저의 조사 조건, 즉 광빔의 에너지를 바꾸어 분말을 소결 또는 용융시킨다. 따라서, 고밀도 경화층(30)에서는 분말이 거의 완전하게 용융되어 원활한 표면을 이루고, 저밀도층(40)은 다공성으로 된다.
본 발명의 제조 방법은, 도 1에 나타낸 바와 같은, 경사면을 가지는 3차원 물체를 제조하는 데에 특히 유용하고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 각 경화층의 양쪽 단부의 소정 범위를 물체의 외피를 형성하는 윤곽 영역으로서 규정하여, 윤곽 영역을 고밀도 경화층(30)으로 하고, 윤곽 영역으로 포위된 부분을 저밀도 경화층(40)으로 한다.
도 2는 본 발명의 3차원 물체를 제조하는 방법을 실시하는 데에 사용되는 제조 시스템을 도시한다. 이러한 시스템은, 테이블(100), 경화층(20)이 형성되는 승강 스테이지(110), 분말을 저장하는 탱크(120), 분말을 승강 스테이지(110) 상에 공급하는 블레이드(122), 및 승강 스테이지(110) 상에 공급된 분말에 광빔을 조사하는 조사 장치(130)를 포함한다. 승강 스테이지(110)는 수직 방향(Z-축)을 따라 분말층(10)의 두께와 같은 소정의 피치로 이동하도록 단계퍼에 의해 구동되어, 테이블(100)의 면보다 1 계단 낮은 위치로 이동되었을 때, 승강 스테이지(110)에 분말 재료가 공급된다. 그 뒤, 블레이드(122)에 의해 분말의 표면을 평평하게 하여, 균일한 두께의 분말층(10)을, 승강 스테이지(110) 상에 배치되는 금속 기저부(90) 또는 금속 기저부(90) 상에 이미 형성된 경화층(20) 상에 형성한다. 분말층(10)의 두께는 0.05mm로 설정된다.
조사 장치(130)는, 레이저 발진기(132)로부터 출력된 광빔을, 갈바노-미러(134) 및 스캔 미러(136)를 포함하는 광학장치를 통하여 분말층(10)에 조사하는 것으로서, 테이블(100) 윗쪽에 배치되는 격벽(112)에 배치되는 창(114)을 통해 광빔을 분말층(10)에 조사한다. 레이저 발진기(132)가 CO2 레이저를 발생하는 경우, 창(114)은 Zn-Se로 이루어지는 평판에 의해 구현된다.
조사 장치(130)는 물체의 3차원 CAD 데이터를 수신하여, CAD 데이터에 의해 결정되는 패턴으로 분말층(10)에 광빔을 조사시키기 위해 스캔 미러(136)를 구동한다.
테이블(100)에, X-Y 방향으로 이동하는 수평 이동 기구(140)가 추가로 구비되고, 이러한 수평 이동 기구(140)에 밀링 커터(142)나 CCD 카메라(144)가 지지된다. 밀링 커터(142)는 제조시 및 제조 후의 물체를 절삭하기 위해 사용되고, CCD 카메라(144)는 제조과정을 감시하기 위해 사용된다.
도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 물체(X)는 승강 스테이지(110) 상에 배치되는 금속 기저부(90) 상에 경화층(20)을 차례로 적층함으로써 제작되고, 제작시 및 제조 후에 밀링 커터(142)에 의해 표면 마감처리된다. 금속 기저부(90) 바로 위에 형성되고 금속 기저부(90)와 일체가 되는 경화층(20)은 전체가 고밀도로 경화되고, 그 위에 차례로 적층되는 경화층(20)은, 물체의 외피를 구성하는 윤곽 영역에서는 고밀도로 경화되며, 그 외의 부분에서는 저밀도로 경화된다. 또한, 물체(X)의 최상층으로 되는 경화층(20)은 전체가 고밀도로 경화된다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 최하층을 제외한 경화층(20)의 단부에 형성되는 고밀도 경화층(30)은, 광빔을 1차 조사하여 형성되는 1차 고밀도 경화층(31), 및 2차 고밀도 경화층(32)으로 구성되는 적층체로서 형성되는데, 2차 고밀도 경화층(32)은, 승강 스테이지(110)를 하강시키지 않고, 1차 고밀도 경화층(31)에 분말 재료를 공급하는 단계, 및 보완 분말층(12)에 광빔을 2차 조사하는 단계를 통하여 얻어진다. 적어도 경사 측면을 구성하는 경화층(20)에서, 층의 단부의 윤곽 영역은 고밀도 경화층(30)으로 형성되고, 윤곽 영역에 의해 포위되는 다른 영역은 저밀도 경화층(40)으로 형성된다. 도 4의 선 K는 경사 측면의 경사 각도를 나타내고, 이러한 각도로 따라 각 경화층(20)의 고밀도 경화층(30)이 배열도 5를 참조하여, 이들 각 경화층(20), 즉, 후속적으로 적층되는 경화층(20)과 중첩되지 않는 고밀도 경화층(30)을 필요로 하는 각 경화층(20)의 제조 과정을 설명한다. 먼저, 이미 형성된 경화층(20) 상에 균일한 두께의 분말층(10)이 형성되고(도 5의 (a)), 다음에, 물체(X)의 외피를 구성하는 윤곽 영역에 광빔을 1차 조사하여 1차 고밀도 경화층(31)을 형성한다(도 5의 (b)). 승강 스테이지(110)를 현재 위치에 유지한 상태로, 소결 또는 용융에 의한 경화에 의해 높이가 감소된 1차 고밀도 경화층(31) 상에 형성되는 오목한 곳에, 새롭게 분말 재료를 공급하여, 균일한 두께의 보완 분말층(12)을 1차 고밀도 경화층(31) 상에 형성하고(도 5의 (c)), 이러한 보완 분말층(12)에 2차 조사를 행하여 2차 고밀도 경화층(32)을 형성한다(도 5의 (d)). 그 뒤에, 윤곽 영역에 의해 포위되는 미소결 또는 미용융 영역에 광빔을 조사하여, 저밀도 경화층(40)을 형성한다(도 5의 (e)). 상기 단계를 반복함으로써, 복수개의 경화층(2O)을 적층하여, 경화층(20)의 단부에 의해 물체(X)의 경사면의 형상을 규정한다. 물체(X)의 최상층의 전체 영역은 1차 고밀도 경화층(31)과 2차 고밀도 경화층(32)에 의해 형성된다. 도시한 실시예에서, 각각의 경화층(20)은, 2차 고밀도 경화층(32)를 형성한 후에 저밀도 경화층(40)을 형성함으로써 얻어진다. 그러나, 저밀도층(40)을 먼저 형성한 후에, 2차 고밀도 경화층(32)을 형성하도록 광빔의 조사를 제어하는 것도 동일하게 가능하다. 또한, 저밀도 경화층(40)을 형성한 후에, 1차 고밀도 경화층(31)을 형성해도 된다.
도 6 및 도 7은, 전술한 실시예의 변경예를 나타낸 것으로서, 물체(X)의 경사면을 구성하는 각 경화층(20)의 노출되는 외부 부분에만 2차 고밀도 경화층(32)을 형성한다. 윤곽 영역에서의 나머지의 부분은, 후속적으로 중첩되는 경화층(20)의 1차 고밀도 경화층(31)과 함께 광빔의 1차 조사에 의해 경화된다. 이러한 경우, 2차 고밀도 경화층(32)를 형성하기 위한 광빔의 2차 조사의 시간을 최소로 하여, 단시간에 물체(X)를 제조할 수 있다. 도 7에 따라 본 변경예의 상세사항을 설명한다. 보완 분말층(12)을 1차 고밀도 경화층(31)의 상에 형성한 뒤(도 7의 (a)), 후속적으로 중첩되는 경화층(20)과 중첩되지 않는 보완 분말층(12)에 광빔의 2차 조사를 행하여, 2차 고밀도 경화층(32)을 형성하고(도 7의 (b)), 윤곽 영역에 포위되는 분말층(10)에 광빔을 조사하여 저밀도 경화층(40)을 형성한다(도 7의 (c)). 이러한 상태에서, 승강 스테이지(110)를 1 단계 내려, 새로운 분말층(10)을 형성하여 미경화 보완 분말층(12)과 합체시키고(도 7의 (d)), 이러한 분말층(10)의 윤곽 영역에 광빔을 1차 조사하여 1차 고밀도 경화층(31)을 형성한다(도 7의 (e)). 이러한 1차 고밀도 경화층(31)은 하층의 1차 경화층(31)에 연속된 상태로 일체화된다. 이와 같은 과정을 반복함으로써, 도 6의 구조를 실현할 수 있다.
도 8의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 1차 조사의 광빔과 2차 조사의 광빔은 스캔 방향이 다른데, 바람직하게는, 서로 직교한다. 따라서, 타켓 영역을 균등하게 소결시키기 위한 에너지를 부여하여, 요철이 적은 매끈한 표면 형상을 형성한 다. 광빔은 평행 이격된 선을 따라 주사되어, 도 9의 정현파 곡선으로 나타낸 바와 같은 에너지 분포를 부여한다. 도 9의 (a)에 나타낸 바와 같이, 1차 조사(L1)와 2차 조사(L2)를 같은 방향으로 행하면, 1차 고밀도 경화층(31)과 2차 고밀도 경화층(32)을 소결시키기 위한 에너지 분포가 겹치게 된다. 이러한 경우, 1차 고밀도 경화층의 표면에서는, 거의 완전하게 용융한 부분과 그렇지 않은 부분이 있으므로, 1차 고밀도 경화층(31)의 표면의 아직 용융되지 않은 분말을 용융시키기 위해 2차 조사(L2)의 에너지가 소비되게 된다. 따라서, 2차 조사(L2)의 에너지 분포가 1차 조사(L1)의 에너지 분포와 겹치는 경우에는, 1차 고밀도 경화층(31)의 표면에서 거의 완전하게 용융되어 있지 않은 분말에서 2차 조사(L2)가 흡수 및 소모되어, 대응 2차 고밀도 경화층(32)을 얻는데 있어서 에너지가 부족하여, 2차 고밀도 경화층(32)의 표면에 용융되지 않은 부분이 남아, 표면에 요철이 남는 경우가 있다. 이와는 대조적으로, 2차 조사(L2)의 스캔 방향이 1차 조사(L1)의 스캔 방향과 교차되면, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같은 에너지 분포가 얻어져, 1차 고밀도 경화층(31)의 표면에서 분말이 거의 완전하게 용융되지 않은 부분에 2차 조사(L2)에 의해 충분한 에너지가 부여되어, 2차 고밀도 경화층(32)을 소결시키기 위한 에너지가 유지된다. 따라서, 얻어지는 2차 고밀도 경화층(32)의 분말이 거의 완전하게 용융되어, 표면을 매끄럽게 마무리할 수 있다.
1차 조사(L1)와 2차 조사(L2)는, 두께가 다른 분말을 소결 또는 용융시키기 위한 것이라는 점에서, 광 에너지의 총량이 상이하다. 그러나, 분말의 단위 체적당 및 단위 시간당의 에너지가 일정하게 되도록 조사 장치(130)를 제어하여, 1차 고밀도 경화층(31)과 2차 고밀도 경화층(32)이 동등한 밀도로 되도록 동일한 에너지를 부여한다. 이와 같은 제어를 위하여, 조사 장치(130) 또는 조사 장치(130)를 제어하는 외부 장치는 데이터 테이블을 구비하여, 각 경화층에 있어서의 윤곽 영역의 체적과 1차 조사에 의해 생기는 1차 고밀도 경화층의 높이의 예측 하강량(침강량; δ) 사이의 관계를 나타내는 데이터, 및 이러한 침강량(δ)에 대응하는 두께의 보완 분말층을 소결 또는 용융시키기 위해 필요한 2차 조사의 광 에너지를 나타내는 데이터를 판정하여, 1차 조사와 2차 조사를 위한 분말의 단위 체적, 및 단위 시간당의 광 에너지를 동일하게 되도록 제어한다. 1차 고밀도 경화층(31)의 침강량(δ)을 탐침을 사용하여 계측하도록 해도 된다.
에너지 밀도(Eρ)는, 광빔 파워(P), 광빔의 주사 속도(v)(mm/s), 광빔 주사 피치(pf)(mm), 침강량(δ)(mm), 적층 피치(t)(mm)에 의해 표현되어, 1차 조사(L1)의 에너지는 관계식 Eρ1=P/(v·pf·t)으로 얻어지며, 2차 조사(L2)에 대하여는 관계식 Eρ2=P/(v·pf·δ)로 얻어진다. Eρ1과 Eρ2가 동일하게 되도록 조건이 결정된다.
침강량(δ)을 계측에 의해 구하는 경우에, 1차 고밀도 경화층(31)의 침강량(δ)이 소정값(ε)보다 작으면, 현재의 1차 고밀도 경화층(31)과 후속적으로 형성되는 1차 고밀도 경화층(31) 사이에 2차 고밀도 경화층(32)을 형성하지 않고, 현재의 1차 고밀도 경화층(31)과 후속적으로 형성되는 1차 고밀도 경화층(31)을 연속시킴으로써, 각 경화층(2O)을 형성할 수도 있다. 도 10은 이러한 경우의 플로우차트를 나타내는데, 침강량(δ)이 소정값(ε)보다 큰 경우에 승강 스테이지(110)의 위 치가 유지되어, 1차 고밀도 경화층(31) 상에 분말 재료가 공급되어, 1차 고밀도 경화층(31) 상에 2차 고밀도 경화층(32)이 형성된다. 그렇지 않은 경우에는, 승강 스테이지(110)를 1 계단 하강시켜, 분말 재료를 새롭게 공급하여, 하층의 저밀도 경화층 및 1차 고밀도 경화층 상에 분말층(10)을 형성하여 이것을 소결 또는 용융시킨다.
침강량(δ)을 계측하는 경우에, 예를 들면, 밀링 커터(142)에 장착된 터치 프로브(touch probe)를 사용하여, 물체의 단면 데이터에 따라 1차 고밀도 경화층(31)의 부분에 터치 프로브를 접촉시켜, 층의 높이를 측정한다. 그외에도, 광 절단법으로 전체 표면의 높이 해석을 행할 수도 있고, 레이저 거리 미터를 사용하는 광학적인 방법으로 1차 고밀도 경화층(31)의 표면까지의 거리를 측정할 수도 있다. 또한, 분말 공급 시에 블레이드(122)가 경화층과 접촉할 때 발생하는 토크를 기준으로 하여, 2차 고밀도 경화층(32)이 필요한지 여부를 판별하도록 해도 된다. 1차 고밀도 경화층(31)이 실질적으로 침강된 때, 블레이드(122)는 1차 고밀도 경화층(31)과 접촉하지 않아, 토크가 증가되지 않는다. 한편, 1차 고밀도 경화층(31)의 침강량이 작을 때에는, 접촉에 의해 블레이드(122)에 드래깅(dragging) 저항이 발생한다. 따라서, 블레이드에 인가되는 토크에 기초하여, 2차 고밀도 경화층(32)을 형성할 필요성이 판단될 수 있다.
또한, 1차 고밀도 경화층(31)의 침강량(δ)에 따라 보완 분말층(12)을 형성하기 위한 분말의 공급량을 결정하는 것도 가능하다. 승강 스테이지(110) 상의 분말 공급 면적을 ST, 1차 고밀도 경화층(31)의 침강량을 δ, 1차 고밀도 경화층의 면적을 Sh, 적층 피치를 t로 하면, 초기 분말 공급량 V1은 V1=ST·t로 하고, 2차 고밀도 경화층(32)을 형성하는 보완 분말층(12)을 위한 분말 공급량 V3는 V3=Sh·δ로 하여, 분말 공급량을 최적으로 제어할 수 있다.
도 11은 전술한 실시예의 다른 변경예를 나타내는데, 예측 또는 계측한 1차 고밀도 경화층(31)의 침강량(δ)에 따라 물체의 CAD 데이터를 더욱 세밀한 등고선(contour lines)으로 잘라, 더욱 세밀한 표면 형상의 물체를 제조하는 방법을 제안하고 있다. 이러한 목적을 위해, X-Y 좌표 내에서 1차 고밀도 경화층(31)의 에지를 형성하기 위한 1차 조사(L1)의 위치는, 2차 고밀도 경화층(32)의 에지를 형성하기 위한 2차 조사(L2)의 위치와 이격된다. 즉, 1차 조사(L1)와 2차 조사(L2)의 조사 범위를 침강량(δ)에 따라 변화시킴으로써, 물체의 경사 각도(K)와 정확하게 일치하는 경사면이 형성된다. 1차 조사(L1)를 행하는 범위는, 높이 위치(t0=t-δ), 즉, 적층 피치(t)(승강 스테이지(110)의 한 번의 하강량)로부터 침강량(δ)을 뺀 위치에서의 CAD 데이터로부터 얻은 물체의 단면 형상으로부터 판정되고, 2차 조사(L2)를 행하는 범위는, 높이 위치(t)에서의 CAD 데이터로부터 얻은 물체의 단면 형상으로부터 판정된다.
물체(X)의 제조 후 또는 제작시에, 필요에 따라 밀링 커터(142)를 동작시켜 외형의 마감처리를 한다. 이러한 경우, 물체(X)의 경사면을 구성하는 고밀도 경화층은, 1차 조사와 2차 조사에 의해 별개로 형성되는 1차 고밀도 경화층(31)과 2차 고밀도 경화층(32)으로 구성되므로, 물체의 경사면은 물체의 디자인을 정확히 반영하여, 밀링 커터에 의한 연삭량을 최소로 할 수 있어, 물체의 제조를 효율적으로 행할 수 있다.
전술한 실시예에서는, 분말 재료로서 철 가루를 사용한 예를 나타냈으나, 본 발명은 반드시 이것에만 한정되지 않고, 다른 무기 재료 및 나일론이나 ABS 수지 등의 유기 분말 재료도 사용할 수 있다.

Claims (7)

  1. a) 분말 재료로 이루어진 균일한 두께를 가지는 분말층을 제공하는 단계,
    b) 상기 분말층의 선택된 부분에 광빔을 조사하여, 상기 선택된 부분을 소결 또는 용융시켜 경화층을 형성하는 단계,
    c) 상기 경화층 상에 추가 분말층을 형성하는 단계,
    d) 상기 추가 분말층의 선택된 부분에 상기 광빔을 조사하여, 상기 경화층과 일체화된 추가 경화층을 형성하는 단계, 및
    e) 상기 단계 c), d)를 반복하여 상기 경화층을 적층시켜 3차원 물체를 제공하는 단계
    를 포함하는, 3차원 물체의 제조 방법으로서,
    수직으로 이동 가능한 승강 스테이지를 사용하여 경화층을 유지하고, 상기 승강 스테이지를 1 계단씩 하강시켜 분말 재료를 공급함으로써, 상기 경화층 상에 균일한 두께의 분말층을 형성하며,
    상기 물체의 외피를 형성하는 하나 이상의 상기 분말층의 윤곽 영역에 광빔을 1차 조사하여, 상기 윤곽 영역을 고밀도로 경화시켜 1차 고밀도 경화층을 형성하는 단계,
    상기 승강 스테이지를 고정 레벨에 유지한 상태로 경화에 의해 두께가 작게 된 상기 1차 고밀도 경화층의 상부에 추가량의 분말을 공급하여, 균일한 두께의 보완 분말층을 형성하는 단계,
    상기 보완 분말층에 광빔을 2차 조사하여 상기 보완 분말층의 일부 또는 전부를 고밀도로 소결 또는 용융시켜, 상기 1차 고밀도 경화층과 일체화된 2차 고밀도 경화층을 형성하는 단계, 및
    상기 윤곽 영역에 의해 포위되고, 상기 1차 고밀도 경화층으로 변환되지 않은 나머지 부분의 상기 분말층에 광빔을 조사하여, 상기 나머지 부분을 저밀도로 소결 또는 용융시켜 상기 1차 고밀도 경화층 및 상기 2차 고밀도 경화층보다 저밀도의 저밀도 경화층을 형성하는 단계
    를 포함하는, 3차원 물체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보완 분말층 중, 상기 보완 분말층 상에 후속적으로 중첩되는 경화층과 중복되지 않는 부분에만 광빔을 2차 조사하여, 상기 2차 고밀도 경화층을 형성하고,
    상기 후속적으로 중첩되는 경화층과 중복되는 부분의 상기 보완 분말층은, 상기 보완 분말층 상에 공급되는 분말층과 함께 상기 1차 조사되어, 상기 후속적으로 중첩되는 경화층에 있어서의 상기 1차 고밀도 경화층이 하층의 1차 고밀도 경화층에 일체화되는
    것을 특징으로 하는 3차원 물체의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    수직으로 이동 가능한 승강 스테이지를 사용하여 경화층을 유지하고,
    상기 승강 스테이지를 1 계단씩 하강시켜 분말 재료를 공급함으로써, 상기 경화층 상에 균일한 두께의 상기 분말층을 형성하며,
    상기 승강 스테이지를 고정 레벨에 유지한 상태로, 분말 재료를 상기 1차 고밀도 경화층 상에 공급하여, 상기 윤곽 영역에 의해 포위된 미소결 또는 미용융 분말층과 상기 보완 분말층의 표면이 동일 높이가 되도록 상기 보완 분말층을 형성하는
    것을 특징으로 하는, 3차원 물체의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 1차 조사의 광빔의 스캔 방향과 상기 2차 조사의 광빔의 스캔 방향이 서로 교차되는 것을 특징으로 하는, 3차원 물체의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 1차 조사의 광빔의 조사 에너지 및 상기 2차 조사 각각의 광빔의 조사 에너지는, 소결 또는 용융되는 분말의 단위 체적당 및 단위 시간당 일정한 것을 특징으로 하는, 3차원 물체의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 후속적으로 중첩된 경화층과 중복되지 않는 경화층을 형성하기 위해, 상기 1차 고밀도 경화층과 상기 2차 고밀도 경화층에 서로 상이한 조사 범위에 걸쳐 광빔이 조사되고,
    각각의 조사 범위는, 상기 분말층의 두께로부터 상기 1차 고밀도 경화층의 두께를 뺀 침강 두께에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 3차원 물체의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 1차 고밀도 경화층 및 상기 2차 고밀도 경화층은 기공율이 5% 이하이며, 상기 저밀도 경화층은 기공율이 5% 초과인 것을 특징으로 하는, 3차원 물체의 제조 방법.
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